(57)【要約】  基板１と、封止薄膜７と、基板１の表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有する、梁状構造体の可動部３と電極５と、基板１と封止薄膜７との間に電極５を隔てて形成された第１および第２のキャビティとを有するＭＥＭＳ素子において、基板表面に垂直な方向において可動部３の側にキャビティを第１のキャビティ９とし、もう一方のキャビティを第２のキャビティとしたときに、第１のキャビティ９の電極５と接する側壁Ａの内側表面ａを、第２のキャビティ１０の側壁Ｂの電極５と接する内側表面ｂよりも、基板表面に平行な方向において内側となるように配置して、封止薄膜７の外側から機械的な応力が加わっても、可動部３と電極５とが衝突しないようにする。
2011114628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板および封止薄膜を有し、
機械的振動を行う梁構造体の可動部および前記可動部に近接して位置する電極が前記基板と前記封止薄膜との間に設けられ、前記可動部と前記電極は前記基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有し、
前記基板と前記封止薄膜との間に、前記電極によって隔てられる第１のキャビティおよび第２のキャビティが形成されており、
前記第１のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部側に位置し、
前記第２のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部とは反対側に位置し、
前記第１のキャビティの前記電極と接する側壁Ａの内側表面が、前記第２のキャビティの前記電極と接する側壁Ｂの内側表面よりも、前記基板表面と平行な方向において内側に位置する、
ＭＥＭＳ素子。
【請求項２】
前記第１のキャビティの側壁の内側表面は、前記封止薄膜に機械的な圧力が加わったとき、電極と可動部間のギャップが保持されるように、前記封止薄膜に機械的な圧力が加わったときに前記電極に生じる機械応力を考慮して決められた位置に配置されている、請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項３】
前記電極に基板表面に垂直な方向な力が加わったときに、前記電極の前記可動部と対向する領域において基板表面に垂直な方向に最も変位する位置を基準位置Ｏとし、
前記側壁Ａの位置Ａ１と基準位置Ｏとの、前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、距離をＡ１とし、
前記側壁Ｂの位置Ｂ１と基準位置Ｏとの、前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、距離をＢ１としたときに、
Ｂ１／Ａ１≧１．０である、
請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項４】
前記電極に基板表面に垂直な方向な力が加わったときに、前記電極の前記可動部と対向する領域において基板表面に垂直な方向に最も変位する位置を基準位置Ｏとし、
前記側壁Ａの位置Ａ１と基準位置Ｏとの、前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、距離をＡ１とし、
前記側壁Ｂの位置Ｂ１と基準位置Ｏとの、前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、距離をＢ１としたときに、
Ｂ１／Ａ１≧１．５である、
請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項５】
前記電極に基板表面に垂直な方向な力が加わったときに、前記電極の前記可動部と対向する領域において基板表面に垂直な方向に最も変位する位置を基準位置Ｏとし、
前記側壁Ａの位置Ａ１と基準位置Ｏとの、前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、距離をＡ１とし、
前記側壁Ｂの位置Ｂ１と基準位置Ｏとの、前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、距離をＢ１としたときに、
Ｂ１／Ａ１≦３．２である、
請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項６】
前記第１のキャビティの側壁全体の内側表面が、前記第２のキャビティの側壁全体の内側表面よりも、前記基板表面と平行な方向において内側に位置する、請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項７】
前記第１のキャビティは、第１の犠牲層を除去して形成したものであり、前記第２のキャビティは、第２の犠牲層を除去して形成したものである、請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項８】
同一エッチングプロセスにおいて、前記第２の犠牲層が最初に除去され、それから前記第１の犠牲層が除去されて、前記第２のキャビティおよび第１のキャビティが形成されている、請求項７に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項９】
前記第１の犠牲層と前記第２の犠牲層が互いに異なる材料で形成され、前記第２の犠牲層のエッチングレートが前記第１の犠牲層のエッチングレートよりも大きくなるように各犠牲層の材料が選択され、同一エッチングプロセスにおいて、前記第１の犠牲層が最初に除去され、それから前記第２の犠牲層が除去されて、前記第１のキャビティおよび第２のキャビティが形成されている、請求項７に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項１０】
前記封止薄膜の外側が樹脂でモールドされている、請求項１〜９のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項１１】
基板および封止薄膜を有し、
機械的振動を行う可動部および前記可動部に近接して位置する電極が前記基板と前記封止薄膜との間に設けられ、前記可動部と前記電極は前記基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有し、
前記基板と前記封止薄膜との間に、前記電極によって隔てられる第１のキャビティおよび第２のキャビティが形成されており、
前記第１のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部側に位置し、
前記第２のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部とは反対側に位置し、
前記第１のキャビティの前記電極と接する側壁Ａの内側表面が、前記第２のキャビティの前記電極と接する側壁Ｂの内側表面よりも、前記基板表面と平行な方向において内側に位置する、
ＭＥＭＳ素子を製造する方法であって、
前記第１のキャビティを第１の犠牲層の除去により形成すること、および
前記第２のキャビティを第２の犠牲層の除去により形成すること
を含む、ＭＥＭＳ素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第１のキャビティを形成することおよび前記第２のキャビティを形成することを同一エッチングプロセスにより実施し、前記エッチングプロセスにおいて、前記第２の犠牲層を最初に除去し、それから前記第１の犠牲層を除去する、請求項１１に記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。
【請求項１３】
前記第１の犠牲層と前記第２の犠牲層の材料を、前記第２の犠牲層のエッチングレートが前記第１の犠牲層のエッチングレートよりも大きくなるように選択することを含み、
前記第１のキャビティを形成することおよび前記第２のキャビティを形成することを同一エッチングプロセスにより実施し、前記エッチングプロセスにおいて、前記第１の犠牲層を最初に除去し、それから前記第２の犠牲層を除去する、請求項１１に記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。
【請求項１４】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ素子を有する、ＭＥＭＳ発振器。
【請求項１５】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ素子および請求項１４に記載のＭＥＭＳ発振器の少なくともいずれか一方を有する、電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＭＥＭＳ(Micro-Electro Mechanical Systems)素子に係り、特に微小ギャップ構造を有するＭＥＭＳ共振器において信頼性の高い封止を実現するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＭＥＭＳ共振器について、図７および図８を参照して一例を説明する。図７および図８は、特許文献１に公開されているＳＯＩ（Silicon on insulator）基板を利用して作製されたＭＥＭＳ発振器の構造を示す斜視図と断面図である。このＭＥＭＳ共振器は、特許文献１に記載のように、例えばフィルタにおいて用いられる。ここで、ＳＯＩ基板とは、シリコン基板上に、酸化シリコン膜からなるＢＯＸ層（埋め込み酸化シリコン膜）を介して、単結晶シリコン層からなるデバイス形成層を形成することによって作製される基板である。【０００３】
図７に示すＭＥＭＳ共振器の製造においては、まずＳＯＩ基板において、異方性エッチングを行い、断面三角形の梁状体（三角断面梁）を形成し、ギャップ形成のための酸化シリコン膜を形成し、それから電極２０２を形成する。その後、支持部となる部分を残して、ギャップ用の酸化シリコンとＢＯＸ層２０６を除去する。それにより、振動子２０１となる三角断面梁が可動な状態となるように開放され、空間（キャビティ）および狭ギャップを有する電極が、突出構造を有する三角断面梁の側面に配置された空中突出構造部が完成する。【０００４】
図８に示すように、振動子２０１の下には空間（キャビティ）２０７が形成される。この製造方法によって、ＳＯＩ基板を利用した単結晶シリコンから成る振動子と、静電励振・静電検出を可能とする電極端子とを有するＭＥＭＳ共振器が実現される。この製造方法においては、ギャップ形成用の膜と振動子２０１の下層部にあたるＢＯＸ層２０６がともに酸化シリコン膜であるため、最後のリリース（構造開放）工程において、ギャップ形成と構造開放を同時に実施でき、製造工程の削減が実現される。特許文献１は、この共振器を封止する方法として、ガラスキャップで覆う方法を開示している。【０００５】
従来の封止構造を有する振動型圧力センサについて、図９を参照して説明する。図９は特許文献２に記載されているＭＥＭＳ技術を用いて製造される圧力センサの断面図である。振動子１０３は単結晶シリコンから成る梁である。真空室１０５はエピタキシャル成長させたシリコンの不純物濃度によって生じるエッチングレートの差異を利用した犠牲層エッチング技術により形成されている。【０００６】
シェル１０４も薄膜形成技術で形成される。シェル１０４と梁（振動子）１０３との間には静電容量が形成されている。梁は、その両端が測定ダイアフラムに繋留され、共振周波数近傍で振動可能である。図９に示す素子は、測定ダイアフラムに与えられた圧力による梁の応力変化を共振周波数変化としてとらえることにより、圧力センサとしての機能を発現する。【０００７】
梁の共振の先鋭度をあらわすＱ値は、梁周辺の空気の粘性により劣化する。従って、真空室を真空に保つことにより、高いＱ値を維持できる。Ｑ値が高いほど圧力による共振周波数変化を敏感にセンシングすることができる。【０００８】
図９を参照して説明した圧力センサは、薄膜プロセスのみによって、共振する梁を真空に封止する方法で製造され得る。したがって、この圧力センサの製造においては、素子のパッケージ工程における真空封止工程が不要となり、それにより、小型な圧力センサを、安価に提供することが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７，３５８，６４８号明細書
【特許文献２】特開２００５−３７３０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献２に記載の薄膜プロセスによる封止技術は、圧力センサのみではなく、ＭＥＭＳ技術を利用した共振器、フィルタ、発振器、スイッチ素子、ジャイロスコープ、および質量検出素子等への応用も可能である。封止の目的は、振動子を真空中で可動な状態に維持することだけではない。真空を必要としない素子においては、封止外部の湿度およびゴミから隔離する目的、または樹脂トランスファーモールドによるパッケージの際の樹脂充填圧力から封止内部を保護する目的で、特許文献２に記載の技術を適用することができる。【００１１】
しかしながら、特許文献１に記載されているようなＭＥＭＳ共振器には、特許文献２の封止技術をそのまま適用することはできない。そこで、半導体素子の分野で一般的に行われている、樹脂トランスファーモールドによる封止が、封止方法として考えられる。しかしながら、特許文献１に記載のＭＥＭＳ共振器の樹脂トランスファーモールドによる封止には、次のような問題がある。【００１２】
具体的には、樹脂トランスファーモールド時に、外部から加わる圧力により、封止すべき構造（特に、電極）自体が大きく歪み、電極と梁（可動部）が衝突するという問題がある。ＭＥＭＳ共振器においては、素子インピーダンスを下げるために、電極と梁（振動子）との間のギャップを狭くする必要がある。特許文献１に記載されるＭＥＭＳ共振器が電子機器のタイミングデバイスとして利用される場合、前記ギャップは１００〜２００ｎｍほどであり、樹脂トランスファーモールドの際の圧力下では、かかる狭ギャップを保持することができなくなる。【００１３】
その課題を回避するため、図１０に示すように、電極とは別に封止構造を形成し、電極３０５と可動部（振動子）３０３の上下にキャビティを形成する方法がある。図１０において、符号３０１は基板を、３０２、３０６は犠牲層を、３０７は封止薄膜を示す。キャビティは犠牲層３０２、３０６を一部除去することにより形成され、犠牲層３０２、３０６の残った部分がキャビティを画定する側壁を構成している。この方法によれば、封止薄膜３０７により封止構造を得ることができる。しかし、図１０に示す構造を採用しても、この素子をさらに樹脂トランスファーモールドにより封止する場合には、次のような課題が発生することを、発明者らは新たに見出した。【００１４】
具体的には、図１０に示す構成のＭＥＭＳ共振器において、電極側のキャビティのＢが可動部側のキャビティの側壁Ａよりも内側にあると、樹脂トランスファーモールド時に加わる圧力が封止薄膜に伝わり、その力が更にキャビティ側壁を通って、電極に伝わる。電極に加わる力の方向は、素子の厚み方向と平行である。そのため、電極側のキャビティの側壁が可動部側のキャビティの側壁よりも内側にある、すなわち、電極側の側壁の下に空間があると、電極は、電極に下向きに加わる力により撓む。その結果、図１０に示すように、電極が下向きに移動して、可動部と衝突することがある。【００１５】
図１１は、外圧が加わったときの封止薄膜の厚み方向の歪み量を計算した結果を示すグラフである。各線は、封止薄膜の膜厚の違いを示しており、膜厚が大きいほど歪み量は小さくなる。樹脂トランスファーモールドの際には、およそ１Ｅ＋０７Ｐａ（１００気圧）〜１．５Ｅ＋０７Ｐａ（１５０気圧）程度の圧力が封止薄膜に加わる。そのため、封止薄膜の膜厚を４μｍと厚くしても、１５０気圧下では、３００ｎｍ程度歪むことになる。【００１６】
このように大きい歪みをもたらす外圧は、電極と可動部とを衝突させるようなものである。即ち、図１０に示すＭＥＭＳ共振器は、封止薄膜に加わった力がそのまま電極に伝わって、電極を撓ませる構造を有している。そのため、例えば、電極３０５と可動部３０３との間のギャップが１００〜３００ｎｍ程度であると、図１１の斜線部において、ギャップは保持されずに、電極と可動部とが衝突する。衝突を回避するためには、少なくとも６〜７μｍ以上の膜厚の封止薄膜を用いる必要がある。しかし、現在の半導体薄膜形成技術を適用する限りにおいて、そのような厚さの膜は多数の薄膜を積層することによってのみ形成可能であり、そのことはスループットが悪くなるという別の課題を含んでいる。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記課題を解決するために、本発明は、樹脂トランスファーモールド等の際に外圧が加わったとき、電極が可動部に近づく方向に、電極に応力が加わることを防止する構造を有するＭＥＭＳ素子を提供する。即ち、本発明は、
基板および封止薄膜を有し、
機械的振動を行う可動部および前記可動部に近接して位置する電極が前記基板と前記封止薄膜との間に設けられ、前記可動部と前記電極は前記基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有し、
前記基板と前記封止薄膜との間に、前記電極によって隔てられる第１のキャビティおよび第２のキャビティが形成されており、
前記第１のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部側に位置し、
前記第２のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部とは反対側に位置し、
前記第１のキャビティの前記電極と接する側壁Ａの内側表面が、前記第２のキャビティの前記電極と接する側壁Ｂの内側表面よりも、前記基板表面と平行な方向において内側に位置する、
ＭＥＭＳ素子を提供する。【００１８】
本発明のＭＥＭＳ素子は、電極を隔てて区分けされる２つのキャビティ（第１のキャビティおよび第２のキャビティ）を有し、前記第１のキャビティの前記電極と接する側壁Ａの内側表面が、前記第２のキャビティの前記電極と接する側壁Ｂの内側表面よりも、前記基板表面と平行な方向において内側に位置し、第１のキャビティが、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部とは反対側に位置し、第２のキャビティが、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部とは反対側に位置することを特徴とする。この特徴により、封止薄膜に機械的な圧力が加えられた場合でも、電極に、可動部に近づく方向の応力を生じさせることを防止できる。その結果、電極と可動部の衝突が回避され、電極と可動部との間のギャップが保持される。また、本発明のＭＥＭＳ素子においては、封止薄膜を厚くして外圧が加わったときの歪み量を小さくする必要がないため、封止薄膜を、例えば、２μｍ以下の小さい膜厚を有するものとすることができる。そのように小さい膜厚の封止薄膜の使用は、ＭＥＭＳ素子の製造時間の削減に寄与する。【００１９】
本発明はまた、前記構造を有する本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法を提供する。本発明の製造方法は、前記第１のキャビティを第１の犠牲層の除去により形成すること、および前記第２のキャビティを第２の犠牲層の除去により形成することを含む。２つの犠牲層の除去は、同一エッチングプロセス内で、第２の犠牲層を最初に除去し、次に第１の犠牲層を除去するように実施してよく、あるいは、同一のエッチングプロセス内で、第１の犠牲層を最初に除去し、次に第２の犠牲層を除去するようにして実施してよい。第１の犠牲層を最初に除去する場合には、第１の犠牲層と第２の犠牲層の材料を、第２の犠牲層のエッチングレートが第１の犠牲層のエッチングレートよりも大きくなるように選択して、第２のキャビティの電極と接する側壁の内側表面が、第１のキャビティの電極と接する側壁の内側表面よりも、基板表面と平行な方向において外側に位置することを確保する必要がある。【００２０】
本発明のＭＥＭＳ素子は、好ましくは、封止薄膜の外側を樹脂でモールドした形態で提供される。樹脂モールドにより、堅固な封止構造が実現される。前述のように、本発明のＭＥＭＳ素子は、樹脂モールド時に加わる圧力による電極と可動部の衝突を回避する構造となっているので、樹脂モールドによる封止に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態のＭＥＭＳ素子の封止の構造の一例を示す断面図である。
【図２】図２の（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態のＭＥＭＳ素子を樹脂でモールド封止した構造の一例を示す断面図である。
【図３】図３の（ａ）〜（ｅ）は本発明の第１の実施形態のＭＥＭＳ素子の製造方法のプロセスフローを示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施形態のＭＥＭＳ素子の封止構造の一例を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の第３の実施形態のＭＥＭＳ素子の封止構造の一例を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の第３の実施形態のＭＥＭＳ素子の封止構造の別の例であって、基板に貫通口を形成した構造を示す断面図である。
【図７】図７は、従来の三角梁ねじり共振器の斜視図である。
【図８】図８は、従来の三角梁ねじり共振器の断面図である。
【図９】図９は、従来のＭＥＭＳ素子の封止構造を示す断面図である。
【図１０】図１０は、従来のＭＥＭＳ素子の薄膜封止構造を示す断面図である。
【図１１】図１１は、封止薄膜に加わる外圧と、封止薄膜の厚み方向の歪み量との関係を示すグラフである。
【図１２】図１２は、図１に示すＭＥＭＳ素子の一部を示し、Ｏ、Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１およびＦ１を説明する断面図である。
【図１３】図１３は、図１２において、Ｂ１／Ａ１を変化させたときの、Ｅ１／Ｃ１およびＦ１／Ｄ１を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳ素子の構造例を示した断面図である。図示したＭＥＭＳ素子においては、基板１上に、２層から成る第１の犠牲層２、４が形成され、図１において下側の第１の犠牲層２の上に梁構造体である可動部３が形成され、上側の第１の犠牲層４の上に電極５が形成されている。可動部３と電極５は基板１の表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに異なる領域を有して（即ち、図示した形態においては、可動部３の主表面と電極５の主表面とが、基板表面と平行となるように互いに対向して）、振動子を構成する。可動部３は、紙面に対して垂直な方向に延びる梁が振動することができ、かつその端部が固定された構造を有する。可動部３と電極５は微小ギャップにより静電容量を構成し、電極５に電圧を印加することにより発生する静電力によって、可動部３を、撓み、拡がり、または捻りなどのモードで励振する。ここで、「基板表面に垂直な方向」は、基板（ひいては素子）の厚み方向ともいえる。したがって、「基板表面に垂直な方向」は、半導体薄膜形成技術において膜が積層される方向であるともいえる。
【００２３】
図示した形態において、電極５と可動部３とが重なっている領域にある電極５から見て、基板１の厚み方向において、可動部３の側に位置するキャビティが第１のキャビティとなる。したがって、図示した形態において、電極５から見て下側方向に位置するキャビティ、即ち、符号９で示される空間が第１のキャビティとなる。ここで、第１のキャビティ９は、基板１と第１の犠牲層２、４と電極５により包囲されることによって形成される。図１において示されている第１の犠牲層２、４は、エッチングにより除去されなかった部分であり、この部分は、第１のキャビティ９の側面（基板表面と垂直な方向の面）を画定する側壁を構成している。図１において示される側壁は、図において可動部３を構成する梁の両側、即ち、梁が延びる方向と平行な方向に延びる梁の両側縁の側に位置する、電極５と接する側壁（図１においてＡで示される）である。図示するように、犠牲層が２以上の層から成り、かつ各層の内側表面が異なる位置にあるときには、電極と近接している側、即ち、電極と接している側の犠牲層の内側表面の位置（図１においてａで示す位置）が、第２のキャビティの側壁Ｂの内側表面との関係で、決定されるものとなる。
【００２４】
電極５の上には、第２の犠牲層６が形成され、更にその上には、封止薄膜７が形成される。前述のとおり、第１のキャビティは、電極５から見て可動部３側、即ち、下側方向に位置するキャビティであるから、第２のキャビティは、電極５から見て、可動部３とは反対の側、即ち、上側に位置するキャビティである。したがって、図示した形態において、符号１０で示される空間が第２のキャビティとなる。ここで、第２のキャビティ１０は、電極５と第２の犠牲層６と封止薄膜７により包囲されることによって形成される。図１において示されている第２の犠牲層６は、エッチングにより除去されなかった部分であり、この部分は、第２のキャビティ１０の側面を画定する側壁を構成している。図１において示される側壁は、可動部３を構成する梁が延びる方向から見て両側に位置する、電極５と接する側壁（図１においてＢで示される）である。第２の犠牲層が２以上の層から成り、かつ各層の内側表面が異なる位置にあるときには、電極と近接している側、即ち、電極と接している側の層の内側表面の位置（図１においてｂで示す位置）が、第１のキャビティの側壁Ａの内側表面の位置を決定するうえで考慮されるものとなる。
【００２５】
封止薄膜７には、貫通口８が形成される。この貫通口８は、犠牲層を除去してキャビティを形成するために、エッチングホールとして所望の位置に形成される。また、電極５にも、第１の犠牲層２、４を除去するための貫通口１２が形成される。第１の犠牲層２、４と第２の犠牲層６は、同じ、もしくは同種の材料で形成してよい。エッチングは、貫通口８からエッチングガス等を導入して、第２の犠牲層６を除去し、さらにエッチングガス等を貫通口１２を経由させて、第１の犠牲層４、第１の犠牲層２を除去する方法で実施してよい。即ち、第２の犠牲層６、第１の犠牲層４、および第１の犠牲層２をこの順に除去してよい。その場合、例えば、第１の犠牲層４がエッチングされる際、第２の犠牲層６も同時に浸食されるため、第１のキャビティ９よりも第２のキャビティ１０の方が基板表面と平行な方向（水平方向）に大きい寸法を有する。すなわち、第１のキャビティ９を画定する側壁Ａの内側表面ａは第２のキャビティ１０を画定する側壁Ｂの内側表面ｂよりも、基板表面と平行な方向（水平方向）において、内側に位置する。
【００２６】
貫通口８および貫通口１２の形状および数は、それらがエッチングホールとして所望のように機能する限りにおいて、特に限定されない。例えば、貫通口８として、上面から見たときに略円形を有するものを、複数個、封止薄膜７に設けてよい。また、貫通口１２として、上面から見たときに略円形または略矩形を有するものを、１個、または可動部３の梁が延びる方向と平行な方向に沿って複数個設けてよい。あるいは、貫通口１２として、上面から見たときにスリット状の開口部を、可動部３の梁が延びる方向と平行な方向に、電極５全体に亘って設けてよい。その場合、電極５は、スリット状の貫通口１２を境界として、２つに分離した構成を有し、２つの部分はいずれも、第２の犠牲層６と第１の犠牲層２、４との間で固定された片持ち梁となる。
【００２７】
図２（ａ）は、図１に示すＭＥＭＳ素子の封止薄膜７の表面および素子の側面を樹脂１１でモールドした形態を示す。樹脂１１のトランスファーモールドを実施するときに封止薄膜７に加わる圧力は、図２（ｂ）に示すように第２のキャビティの側壁Ｂに加えられ、側壁Ｂは電極５との接点において電極５を押し込む。しかし、電極５の下には第１の犠牲層４、第１の犠牲層２、基板１が積層構造として存在し、かつ固定されているため、押し込まれた電極５は、その表面側のみが歪む。その結果、電極５と側壁Ｂとの接点箇所付近において、接点に向かう方向に応力が発生し、電極５の中空箇所（固定されていない部分）においては、図２（ｃ）に示すように、表面側が接点方向に引っ張られる。更に、電極５と側壁Ｂとの接点の下側が第１のキャビティの側壁Ａ（第１の犠牲層４）に固定されているために、電極５の中空箇所には上向き（可動部３から遠ざかる方向）の応力が生じることになる。かかる応力の発生により、電極５と可動部３との衝突が回避され、ギャップが保持される。
【００２８】
第１のキャビティの側壁Ａの内側表面ａを、どの程度、第２のキャビティ側壁Ｂの内側表面ｂよりも内側に位置させるかは、素子の寸法および形状、電極および可動部の位置、形状および寸法、ならびに封止薄膜に圧力が加わったときに電極に生じる機械応力等に応じて、適宜決定されることが好ましい。以下に、第１のキャビティの側壁Ａの内側表面ａを、どの程度、第２のキャビティ側壁Ｂの内側表面ｂよりも内側に位置させるかについて、シミュレーション結果を用いて説明する。
【００２９】
図１３は、モールド圧として１００気圧が封止薄膜７に加わったときの、第２のキャビティの側壁Ｂの位置に対する、電極５および封止薄膜７の厚み方向の最大変位をシミュレーションした結果である。図１２は、電極５および封止薄膜７の厚み方向の最大変位をシミュレーションするときの変数となるＡ１およびＢ１、ならびに電極５と可動部３との間の距離Ｃ１および電極５と封止薄膜７との間の距離Ｄ１を説明する断面図であり、図１に示す断面図の一部に相当する。
【００３０】
図１２において、Ｏで示す位置は、電極５の基準位置である。ここで電極の基準位置とは、トランスファーモールドの実施に際して封止薄膜に圧力（モールド圧力）が加わり、それにより電極に厚み方向の力が加わって電極が変位する場合において、可動部と対向する領域において電極の厚み方向における変位が最大となる箇所をいう。したがって、図１に示すＭＥＭＳ素子のように、開口部１２が、スリット状の開口部であり、分離された片持ち梁電極のうち長い方の先端位置と可動部の側縁とが一致する場合には、基準位置Ｏは、長い方の先端（即ち、開口部１２との境界）となる。開口部１２が円形であって、電極５が開口部を境に２つに分かれておらず、且つ第２のキャビティの側壁Ｂが可動部３に対して左右対称の位置にある場合には、可動部３の中心と対向する位置が基準位置Ｏと決定されることとなる。即ち、当該断面図において、開口部を境に電極が２つの片持ち梁に分離されていると仮定して、長い方の片持ち梁の先端を基準位置Ｏとする。
【００３１】
Ａ１は、基板表面と平行な方向であり、かつ可動部３の梁が延びる方向と垂直な方向における、基準位置Ｏから第１のキャビティの側壁Ａまで距離であり、Ｂ１は、基板表面と平行な方向であり、かつ可動部３の梁が延びる方向と垂直な方向における、基準位置Ｏから第２のキャビティの側壁Ｂまでの距離である。第１のキャビティの側壁Ａが、可動部３の梁が延びる方向に対して平行でない場合（例えば、側壁Ａを上から見たときに、側壁Ａが湾曲している場合）場合には、側壁Ａの形状および開口部１２の位置に応じて基準位置Ｏが決定され、それに応じてＡ１（厚み方向における電極の変位が最も大きくなる位置における、当該位置と側壁Ａとの間の所定方向おける距離）が決定される。Ｂ１についても同様である。Ｃ１は、基板表面に垂直な方向における、電極５と可動部３との間の最短距離であり、Ｄ１は、基板表面に垂直な方向における、電極５と封止薄膜７との間の最短距離である。
【００３２】
シミュレーションは、Ｂ１／Ａ１を変化させたときの、電極５の基板表面に垂直な方向（即ち、厚み方向）の最大変位をＥ１、封止薄膜７の基板表面に垂直な方向（即ち、厚み方向）の変位をＦ１として、Ｅ１／Ｃ１およびＦ１／Ｄ１を計算により求めて実施した。図１２において、横軸をＢ１／Ａ１とし、縦軸（左軸）をＥ１／Ｃ１、縦軸（右軸）をＦ１／Ｄ１としている。実線（左軸）は第１、第２のキャビティの側壁の位置関係を変化させたときの電極５の厚み方向の最大変位を表し、破線（右軸）は、第１、第２のキャビティの側壁の位置関係を変化させたときの封止薄膜７の厚み方向の最大変位を表している。ここで、Ｅ１／Ｃ１（左軸）が正の領域にあると、電極５は可動部３から遠ざかることを意味し、Ｅ１／Ｃ１が負の領域にあると、電極５は可動部３に近づくことを意味する。したがって、Ｅ１／Ｃ１＝−１．０は、電極５および可動部３が接触することを表している。また、同様に、Ｆ１／Ｄ１（右軸）が正の領域にあると、封止薄膜７が電極５から遠ざかり、Ｆ１／Ｄ１が負の領域にあると、封止薄膜７が電極５に近づくことを意味する。したがって、Ｆ１／Ｄ１＝−１．０は、封止薄膜７および電極５が接触することを表している。
【００３３】
Ｂ１／Ａ１（横軸）が１．０ある、即ち、Ａ１＝Ｂ１であるとき、第１のキャビティの側壁Ａの位置と第２のキャビティの側壁Ｂの位置が一致することとなる。したがって、Ｂ１／Ａ１＞１．０は、第１のキャビティの側壁Ａが第２のキャビティの側壁Ｂよりも内側にあることを、また、Ｂ１／Ａ１＜１．０は、第１のキャビティの側壁Ａが第２のキャビティの側壁Ｂよりも外側に位置することを表している。
【００３４】
図１２のシミュレーションの結果、Ｂ１／Ａ１が１．０よりも大きい領域において、Ｅ１／Ｃ１（実線）は０以上の正の値となることが確認された。すなわち、第１のキャビティの側壁Ａを、第２のキャビティの側壁Ｂよりも内側とすることで、電極５と可動部３との間のギャップを維持することができ、または電極５を可動部３から遠ざけることができる。ただし、貫通口（エッチングホール）のマスク位置精度およびエッチングのばらつきを考慮すると、側壁Ｂの内側表面ｂの位置は、側壁Ａの内側表面ａの位置よりも、０．１μｍ以上外側にあることが好ましい。
また、Ｅ１／Ｃ１は、Ｂ１／Ａ１が１．１付近であるときに、ピークを示し、Ｂ１／Ａ１≧１．５でほぼ０に近づく。これは、図２の（ｂ）（ｃ）で示したように、電極５と側壁Ｂの接点付近において電極５の表面が歪み、電極５の基準位置Ｏにおいて、電極５が可動部３から遠ざかる方向に応力が加わる効果が、Ｂ１／Ａ１＝１．０とＢ１／Ａ１＝１．５との間で大きくなることを表している。
【００３５】
また、図１２は、Ｂ１／Ａ１が１．５以上であると、電極５の基準位置Ｏに加わる応力が小さくなり、電極５は殆ど厚み方向に変位しないことを表している。即ち、Ｂ１／Ａ１が１．５以上であると、モールド圧力が封止薄膜７に加わっても、電極５と可動部３の距離がモールド圧力が封止薄膜７に加わらないときのそれから殆ど変化しないといえる。このことは、Ｂ１／Ａ１≧１．５であると、モールド圧力の適用の有無に拘わらず、電極５−封止薄膜７のギャップがほぼ一定に保持されることを意味する。よって、Ｂ１／Ａ１を１．５以上とすることが好ましい。これは、モールド圧力が加わっている間の電極−封止薄膜間のギャップの値と、当該ギャップの設計値との差を小さくできる、又は無くすことができるためである。
【００３６】
破線で示されたＦ１／Ｄ１は、Ｂ１／Ａ１がいずれの値であっても、０よりも小さい負の領域にある。このことは、第１のキャビティの側壁Ａを第２のキャビティの側壁Ｂに対してどのように配置しても、モールド圧の適用により、封止薄膜７が変位することを示している。また、図１２によれば、Ｂ１／Ａ１が大きくなるにつれて、封止薄膜７が電極５に近づく方向に歪む量が大きくなることがわかる。さらに、図１２は、Ｂ１／Ａ１が３．２付近の値をとると、Ｆ１／Ｄ１が−１．０となる、即ち、封止薄膜７と電極５が接触することを示している。封止薄膜７と電極５が接触すると、共振器動作を確保できなくなるため、Ｂ１／Ａ１を３．２以下にすることが好ましい。
【００３７】
また、第１のキャビティの寸法の大小に拘わらず、第２のキャビティ１０の寸法が大きいと、樹脂トランスファーモールド時に、封止薄膜７が撓んで、電極５および／または可動部３と接触することがある。したがって、電極５ないし可動部３と封止薄膜７とのギャップ、封止薄膜７のヤング率および膜厚を考慮して、１００〜１５０気圧程度の圧力が加わったときに、封止薄膜７が電極５および／または可動部３に接触しない程度に、第２のキャビティの寸法、ひいては側壁Ｂの内側表面の位置を決めることが好ましい。
【００３８】
例えば、封止薄膜７を、１０μｍ以下の膜厚を有するＳｉＧｅで構成し、電極５と封止薄膜７とのギャップが１μｍである場合において、第２のキャビティ１０の幅（基板１の表面をｘ−ｙ座標面とし、かつ可動部３の梁が延びる方向と平行な方向をｙ方向としたときに、ｘ方向の寸法）が２００μｍ程度であると、モールド圧力１００〜１５０気圧下で、封止薄膜７が、電極５および／または可動部３と接触する。したがって、そのような構成のＭＥＭＳ素子においては、第２のキャビティの幅が２００μｍ未満となるように、側壁Ｂの内側表面の位置を決めることが好ましい。
【００３９】
図１に示すＭＥＭＳ素子において、第１のキャビティ９を画定する側壁Ａは、段差を有する２つの層で形成されている。これは後述するように、例えば、ＳＯＩ基板を用い、かつエッチングストップを設けることなく、製造することにより生じる。図１に示すＭＥＭＳ素子の変形例において、２つの第１の犠牲層の内側表面は同じ位置にあってよく、あるいは下側の第１犠牲層２の内側表面が上側の第１犠牲層４の内側表面よりも、基板表面と平行な方向において外側に位置していてよい。
【００４０】
本発明のＭＥＭＳ素子においては、前述のとおり、第１のキャビティを画定する側壁のうち、電極と接する側壁の内側表面が、第２のキャビティの電極と接する側壁の内側表面よりも、基板表面と平行な方向において内側に位置することを要する。なお、図１に示すＭＥＭＳ素子において、第１および第２のキャビティの電極と接する側壁ＡおよびＢは、可動部３の梁の両側に位置し、例えば、図１に示すキャビティが上から見たときに略矩形である場合には、梁が延びる方向と平行な方向に沿って位置する。したがって、それ以外の側壁、例えば、図１に示すＭＥＭＳ素子において、キャビティが上から見たときに略矩形である場合に、図１において示されていない、可動部３の梁が延びる方向に対して垂直な方向（図において左右方向）と略平行な方向に沿って位置する、第１のキャビティの側壁は、可動部３の梁が延びる方向に対して垂直な方向に沿って位置する第２のキャビティの側壁の内側表面よりも外側にあってよく、あるいは内側にあってよい。尤も、後述するプロセスを用いて本発明のＭＥＭＳ素子を製造する場合には、一般に、第１のキャビティの側壁全体の内側表面が、第２のキャビティの側壁全体の内側表面よりも内側に位置することとなる。
【００４１】
図３は図１のＭＥＭＳ素子を製造方法の一例を示すプロセスフロー図である。まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板３１と、ＢＯＸ層（埋め込み酸化シリコン膜）３２（図１の２に対応）と、単結晶シリコン層３３（図１の３に対応）からなるＳＯＩ基板を用意する。このＳＯＩ基板において、フォトリソ工程とエッチング工程を実施し、単結晶シリコン層３３をパターニングする。次に、図３（ｂ）に示すように、酸化シリコン膜３４（図１の４に対応）を成膜する。次に、図３（ｃ）に示すように、導電層３５（図１の５に対応）として、例えば、ＰｔもしくはＡｌなどの金属材料、または多孔質シリコンなどを成膜し、所望のパターンを有する導電層３５が得られるように、フォトリソ工程とエッチング工程によりパターニングする。
【００４２】
更に、図３（ｄ）に示すように、導電層３５の上に、酸化シリコン膜３６（図１の６に対応）と、封止薄膜を形成する材料の膜３７（図１の７に対応）を順次成膜する。ここで、膜３７を形成する材料は、例えば、多孔質シリコン、Ｐｔ、Ａｌ、およびＡｌ２Ｏ３など、犠牲層除去工程において耐性を有する材料から選択される。最後に、図３（ｅ）に示すように、フォトリソ工程とエッチング工程により、膜３７に貫通口３８（図１の８に対応）を開け、当該貫通口からエッチングガスまたはエッチャントを導入して、酸化シリコン膜３６、酸化シリコン膜３４、ＢＯＸ層３２の所望の領域を順に除去する。以上の工程を実施することにより、図１の構造は実現される。この製造方法によれば、膜３６、３４および層３２が同じまたは同種の材料から成る場合でも、１つのエッチングプロセスによって、格別な制御を要することなく、第１のキャビティおよび第２のキャビティを、第１のキャビティの側壁全体の内側表面が、基板表面と平行な方向において、第２のキャビティの側壁全体の内側表面よりも内側に位置するように形成することができる。
【００４３】
図１および図３には記載していないが、貫通口８（３８）からエッチングガス等を導入して、所望量の第１の犠牲層２（３２）、４（３４）および第２の犠牲層６（３６）を除去した後、封止薄膜７（３７）の表面を薄膜等で覆って、貫通口に蓋をし、第１のキャビティ９と第２のキャビティ１０を密閉してもよい。
【００４４】
ＭＥＭＳ素子を半導体プロセスを用いて製造する場合には、同一の構造を様々な手法を用いて得ることができる。したがって、本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法は、図３に示すフローに限られないことに留意すべきである。
【００４５】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳ素子の構造例を示した断面図である。図１に示すＭＥＭＳ素子は、板状の電極と板状の可動部が基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有し、かつ両者の主表面が互いに平行である構造である。これに対し、図４に示すＭＥＭＳ素子は、三角断面構造（即ち、三角柱状）の梁を有する可動部３を備え、三角形の可動部３の斜面に、電極５の側面が平行に対向する構造を有する。このＭＥＭＳ素子においても、可動部３と電極５は、基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域（可動部３の斜面と、これと平行である電極５の側面）を有する。図４に示すＭＥＭＳ素子において、電極５から見て可動部３の側は下側である（電極５を下側に押すと可動部３と接触する）。よって、第１のキャビティ９および第２のキャビティ１０は電極５から見て、それぞれ下側および上側に位置する空間である。図１のＭＥＭＳ素子と同様に、第１のキャビティの側壁Ａの内側表面ａは、第２のキャビティの側壁Ｂの内側表面ｂよりも、基板表面と平行な方向において、内側に位置している。この側壁構造によって得られる効果は、図１を参照して説明したとおりである。
【００４６】
図４に示すＭＥＭＳ素子においては、第１のキャビティ９を画定する側壁Ａは、１層の犠牲層で構成されている。これは、ＳＯＩ基板を用いて、単結晶シリコンから成る可動部３を形成した後に、ＢＯＸ層表面に電極となる層を形成する方法で、ＭＥＭＳ素子を作製することによる。その他の要素については、先に第１の実施形態に関連して説明したとおりであるから、ここではその説明を省略する。
【００４７】
図４に示すＭＥＭＳ素子においては、可動部３を中心として、電極５が図の左右（可動部３の梁が延びる方向と垂直な方向であって、かつ厚み方向と垂直な方向）において対称に形成されている。よって、実施の形態１に関連して、図１２および図１３を参照して説明したＡ１およびＢ１を決定する際の電極５の基準位置は、図４に示すように、電極５の上側先端を通る位置となる。
【００４８】
以上において、可動部の形状が異なる２種類のＭＥＭＳ素子を説明した。本発明は、基板表面に垂直な方向において微小ギャップを介して電極と可動部とが互いに重なる領域を備える構造において、同様に適用できる。
【００４９】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係るＭＥＭＳ素子の構造例を示した断面図である。図示したＭＥＭＳ素子においては、基板１上に、第２の犠牲層１２が形成され、第２の犠牲層１２の上に電極５が形成され、電極５の上方に可動部３が設けられ、第１の犠牲層１３，１６が電極５の上に形成されている。図示した形態においては、第１の犠牲層１６の上に封止薄膜７が設けられている。
【００５０】
電極５と可動部３は微小ギャップを介して基板１の表面と垂直な方向において互いに重なる領域を有して（即ち、図示した形態において、電極５の主表面と可動部３の主表面とが基板表面と平行となるように互いに対向して）、振動子を構成する。可動部３と電極５は微小ギャップにより静電容量を構成し、電極５に電圧を印加することにより発生する静電力によって、可動部３を、撓み、拡がり、または捻りなどのモードで励振する。
【００５１】
図５において、電極５から見て可動部３の側は、電極５の上側である。したがって、図示した形態において、電極５から見て上側に位置するキャビティ、即ち、符号２０で示される空間が第１のキャビティ２０である。ここで、第１のキャビティ２０は、電極５と第１の犠牲層１３、１６と封止薄膜７とにより包囲されることによって形成される。図４において示されている第１の犠牲層１３，１６は、エッチングにより除去されなかった部分である。第１の実施形態に関連して説明したように、第１のキャビティ２０を画定する側壁のうち、電極５と接している第１の犠牲層１３から成る側壁Ａの内側表面（図５においてａで示す位置）の位置が、後述する第２のキャビティの側壁Ｂの内側表面ｂの位置との関係で決定される。
【００５２】
図５において、電極５から見て下側に位置するキャビティ、即ち、符号１９で示される空間が第２のキャビティである。ここで第２のキャビティ１９は、基板１と第２の犠牲層１２と電極５とにより包囲されることによって形成される。第２の犠牲層１９を画定する側壁Ｂは、第２の犠牲層１２であって、エッチングにより除去されなかった部分である。第１のキャビティの側壁Ａの内側表面を、第２のキャビティの側壁Ｂの内側表面よりもどれだけ内側に位置させるかは、図１、図１２および図１３を参照して説明したように、封止薄膜７に機械的な圧力が加わったときに、電極５と可動部３とのギャップが保持されるように、封止薄膜７に機械的な圧力が加わったときに電極５に生じる機械的応力を考慮して決定されることが好ましい。
【００５３】
封止薄膜７には、貫通口８が形成される。この貫通口８は、犠牲層を除去してキャビティを形成するため、エッチングホールとして所望の位置に形成される。図５に示す形態のＭＥＭＳ素子の製造に際しては、第１の犠牲層１３、１６と第２の犠牲層１２は、犠牲層除去の際のエッチングレートが互いに異なる材料で形成される。より具体的には、第２の犠牲層１２のエッチングレートが、第１の犠牲層１３、１６のそれよりも大きくなるように、各犠牲層の材料が選択される。その結果、貫通口８から導入されたエッチングガスまたはエッチャントが、第１の犠牲層１６を除去し、さらに開口部１２を通過して、第１の犠牲層１３、第２の犠牲層１２を順番に除去すると、第１のキャビティ２０よりも第２のキャビティ１９の方が基板表面と平行な方向において大きい寸法を有する。すなわち、第１のキャビティ２０を画定する側壁Ａの内側表面ａは、第２のキャビティ１９を画定する側壁Ｂの内側表面ｂよりも基板表面と平行な方向において内側に位置される。
【００５４】
かかる構造を有するＭＥＭＳ素子を、図２（ａ）に示すように、樹脂のトランスファーモールドにより封止する場合、封止薄膜７に加わる圧力は、側壁Ａを通って、下側の第１の犠牲層１３と電極５との接点において電極５を押し込む。側壁Ａと電極５との接点において電極５の下は空洞となっているため、電極５はそのまま押し下げられる。したがって、電極５には、可動部３とは反対側に作用する応力成分が生じ、その結果、電極５と可動部３の衝突は回避される。すなわち、図５の構成において、モールド圧力が封止薄膜７に加わったとき、封止薄膜７と電極５は一体的に厚み方向に変位して、図１２の破線で示すような振る舞いをする。したがって、第１のキャビティの側壁Ａの位置を第２のキャビティの側壁Ｂの位置よりも内側にすることで、電極５は可動部３から遠ざかる方向に変位する。
【００５５】
図６は本発明の第３の実施形態に係るＭＥＭＳ素子の別の構造例を示した断面図である。図６に示すＭＥＭＳ素子は、犠牲層を除去してキャビティを形成するためのエッチングホールとして、基板１に貫通口１８が形成されている点で、図５のＭＥＭＳ素子とは異なる。また、この形態において、第１の犠牲層１３、１６と第２の犠牲層１２は、同じ、もしくは同種の材料で形成されている。この形態のＭＥＭＳ素子は、貫通口１８から、エッチングガスまたはエッチャントを導入し、第２の犠牲層１２、第１の犠牲層１３、第１の犠牲層１６をこの順に除去する方法で製造することができる。
【００５６】
貫通口１８からエッチングガス等を導入することにより、エッチングガス等に曝される時間が第２の犠牲層１２においてより長くなる。そのため、すべての犠牲層の材料を同じにした場合でも、第２のキャビティ１９が第１のキャビティ２０よりも基板表面と平行な方向において大きい寸法を有する。すなわち、第１のキャビティ２０を画定する側壁Ａの内側表面ａは、第２のキャビティ１９を画定する側壁Ｂの内側表面ｂよりも、基板表面と平行な方向において内側に位置する。これにより、封止薄膜７の表面および素子の側面を樹脂でモールド封止する場合において、図５を参照して説明したメカニズムにしたがって、電極５と可動部３の衝突は回避される。
【００５７】
図５には記載していなが、貫通口８からエッチングガス等を導入して、所望量の第１の犠牲層１３、１６と第２の犠牲層１２を除去した後、封止薄膜７の表面を薄膜等で覆って、貫通口に蓋をし、第１のキャビティ２０と第２のキャビティ１９を密閉してもよい。同様に、図６には記載していなが、貫通口１８からエッチングガス等を導入して、所望量の第１の犠牲層１３、１６と第２の犠牲層１２を除去した後、基板１の表面（図において下側に位置する露出表面）を薄膜で覆って、貫通口に蓋をし、第１のキャビティ２０と第２のキャビティ１９を密閉してもよい。
【００５８】
図５および図６においては、第１の犠牲層１６の内側表面は第１の犠牲層１３の内側表面よりも基板表面と平行な方向において内側に位置している。第１の犠牲層が２以上の層から成る場合において、それらの層の内側表面の位置関係は、特に限定されない。例えば、図５および図６に示すＭＥＭＳ素子において、電極５と接触する第１の犠牲層１３から成る側壁Ａの内側表面ａが、第２の犠牲層１２から成る側壁Ｂの内側表面ｂよりも基板表面と平行な方向において内側に位置する限りにおいて、上側の第１の犠牲層１６の内側表面は、下側の第１犠牲層１３のそれよりも基板表面と平行な方向において外側に位置してよい。
【００５９】
図５および図６においては、電極と可動部の主表面が基板表面に対して垂直であり、かつ互いに平行となっている構造を示した。図５および図６に示す形態の変形例においては、電極と可動部が基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を備えた他の構造を有してよい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係るＭＥＭＳ素子は、基板表面に垂直な方向において、ギャップを隔てて互いに重なる領域を有する電極と可動部を備え、封止薄膜で封止された後、樹脂モールド時に機械的な圧力が加わっても、電極と可動部の衝突が回避されるという点で高い信頼性を実現している。したがって、本発明のＭＥＭＳ素子は、スイッチ素子、共振器、フィルタ、発振器、ジャイロスコープ、圧力センサ、および質量検出素子等のデバイス、ならびにそれらを用いた電子機器に広く適用され得る。
【符号の説明】
【００６１】
１  基板
２、４、６、１２、１３、１６  犠牲層
３  可動部（梁）
５  電極
７  封止薄膜
８、１８  貫通口（エッチングホール）
９、１０、１９、２０  キャビティ
１１  樹脂
Ａ  第１のキャビティを画定する側壁
Ｂ  第２のキャビティを画定する側壁
ａ  側壁Ａの内側表面
ｂ  側壁Ｂの内側表面
【図１】
2011114628.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年11月24日(2011.11.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
本発明のＭＥＭＳ素子は、電極を隔てて区分けされる２つのキャビティ（第１のキャビティおよび第２のキャビティ）を有し、前記第１のキャビティの前記電極と接する側壁Ａの内側表面が、前記第２のキャビティの前記電極と接する側壁Ｂの内側表面よりも、前記基板表面と平行な方向において内側に位置し、第１のキャビティが、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部の側に位置し、第２のキャビティが、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部とは反対側に位置することを特徴とする。この特徴により、封止薄膜に機械的な圧力が加えられた場合でも、電極に、可動部に近づく方向の応力を生じさせることを防止できる。その結果、電極と可動部の衝突が回避され、電極と可動部との間のギャップが保持される。また、本発明のＭＥＭＳ素子においては、封止薄膜を厚くして外圧が加わったときの歪み量を小さくする必要がないため、封止薄膜を、例えば、２μｍ以下の小さい膜厚を有するものとすることができる。そのように小さい膜厚の封止薄膜の使用は、ＭＥＭＳ素子の製造時間の削減に寄与する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳ素子の構造例を示した断面図である。図示したＭＥＭＳ素子においては、基板１上に、２層から成る第１の犠牲層２、４が形成され、図１において下側の第１の犠牲層２の上に梁構造体である可動部３が形成され、上側の第１の犠牲層４の上に電極５が形成されている。可動部３と電極５は基板１の表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有して（即ち、図示した形態においては、可動部３の主表面と電極５の主表面とが、基板表面と平行となるように互いに対向して）、振動子を構成する。可動部３は、紙面に対して垂直な方向に延びる梁が振動することができ、かつその端部が固定された構造を有する。可動部３と電極５は微小ギャップにより静電容量を構成し、電極５に電圧を印加することにより発生する静電力によって、可動部３を、撓み、拡がり、または捻りなどのモードで励振する。ここで、「基板表面に垂直な方向」は、基板（ひいては素子）の厚み方向ともいえる。したがって、「基板表面に垂直な方向」は、半導体薄膜形成技術において膜が積層される方向であるともいえる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
図１２のシミュレーションの結果、Ｂ１／Ａ１が１．０よりも大きい領域において、Ｅ１／Ｃ１（実線）は０以上の正の値となることが確認された。すなわち、第１のキャビティの側壁Ａを、第２のキャビティの側壁Ｂよりも内側とすることで、電極５と可動部３との間のギャップを維持することができ、または電極５を可動部３から遠ざけることができる。ただし、貫通口（エッチングホール）のマスク位置精度およびエッチングのばらつきを考慮すると、側壁Ｂの内側表面ｂの位置は、側壁Ａの内側表面ａの位置よりも、０．１μｍ以上外側にあることが好ましい。
また、Ｅ１／Ｃ１は、Ｂ１／Ａ１が１．１付近であるときに、ピークを示し、Ｂ１／Ａ１≧１．５でほぼ０に近づく。これは、図２の（ｂ）（ｃ）で示したように、電極５と側壁Ｂの接点付近において電極５の表面が歪み、電極５において、電極５の基準位置Ｏが可動部３から遠ざかる方向に応力が加わる効果が、Ｂ１／Ａ１＝１．０とＢ１／Ａ１＝１．５との間で大きくなることを表している。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
また、図１２は、Ｂ１／Ａ１が１．５以上であると、電極５に加わる応力が小さくなり、電極５の基準位置Ｏは殆ど厚み方向に変位しないことを表している。即ち、Ｂ１／Ａ１が１．５以上であると、モールド圧力が封止薄膜７に加わっても、電極５と可動部３の距離がモールド圧力が封止薄膜７に加わらないときのそれから殆ど変化しないといえる。このことは、Ｂ１／Ａ１≧１．５であると、モールド圧力の適用の有無に拘わらず、電極５−封止薄膜７のギャップがほぼ一定に保持されることを意味する。よって、Ｂ１／Ａ１を１．５以上とすることが好ましい。これは、モールド圧力が加わっている間の電極−封止薄膜間のギャップの値と、当該ギャップの設計値との差を小さくできる、又は無くすことができるためである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
図５において、電極５から見て可動部３の側は、電極５の上側である。したがって、図示した形態において、電極５から見て上側に位置するキャビティ、即ち、符号２０で示される空間が第１のキャビティ２０である。ここで、第１のキャビティ２０は、電極５と第１の犠牲層１３、１６と封止薄膜７とにより包囲されることによって形成される。図５において示されている第１の犠牲層１３，１６は、エッチングにより除去されなかった部分である。第１の実施形態に関連して説明したように、第１のキャビティ２０を画定する側壁のうち、電極５と接している第１の犠牲層１３から成る側壁Ａの内側表面（図５においてａで示す位置）の位置が、後述する第２のキャビティの側壁Ｂの内側表面ｂの位置との関係で決定される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板および封止薄膜を有し、
機械的振動を行う梁構造体の可動部および前記可動部に近接して位置する電極が前記基板と前記封止薄膜との間に設けられ、前記可動部と前記電極は前記基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有し、
前記基板と前記封止薄膜との間に、前記電極によって隔てられる第１のキャビティおよび第２のキャビティが形成されており、
前記第１のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部側に位置し、
前記第２のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部とは反対側に位置し、
前記電極に基板表面に垂直な方向の力が加わったときに、前記電極の前記可動部と対向する領域において基板表面に垂直な方向に最も変位する位置を基準位置Ｏとし、
前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、前記基準位置Ｏから前記第１のキャビティの前記電極と接する側壁Ａの内側表面までの距離をＡ１とし、
前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、前記基準位置Ｏから前記第２のキャビティの前記電極と接する側壁Ｂの内側表面までの距離をＢ１としたときに、
Ｂ１／Ａ１≧１．０である、
ＭＥＭＳ素子。
【請求項２】
前記第１のキャビティの側壁の内側表面は、前記封止薄膜に機械的な圧力が加わったとき、電極と可動部間のギャップが保持されるように、前記封止薄膜に機械的な圧力が加わったときに前記電極に生じる機械応力を考慮して決められた位置に配置されている、請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項３】
Ｂ１／Ａ１≧１．５である、
請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項４】
Ｂ１／Ａ１≦３．２である、
請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項５】
前記第１のキャビティの側壁全体の内側表面が、前記第２のキャビティの側壁全体の内側表面よりも、前記基板表面と平行な方向において内側に位置する、請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項６】
前記第１のキャビティは、第１の犠牲層を除去して形成したものであり、前記第２のキャビティは、第２の犠牲層を除去して形成したものである、請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項７】
同一エッチングプロセスにおいて、前記第２の犠牲層が最初に除去され、それから前記第１の犠牲層が除去されて、前記第２のキャビティおよび第１のキャビティが形成されている、請求項６に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項８】
前記第１の犠牲層と前記第２の犠牲層が互いに異なる材料で形成され、前記第２の犠牲層のエッチングレートが前記第１の犠牲層のエッチングレートよりも大きくなるように各犠牲層の材料が選択され、同一エッチングプロセスにおいて、前記第１の犠牲層が最初に除去され、それから前記第２の犠牲層が除去されて、前記第１のキャビティおよび第２のキャビティが形成されている、請求項６に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項９】
前記封止薄膜の外側が樹脂でモールドされている、請求項１〜８のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項１０】
基板および封止薄膜を有し、
機械的振動を行う可動部および前記可動部に近接して位置する電極が前記基板と前記封止薄膜との間に設けられ、前記可動部と前記電極は前記基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有し、
前記基板と前記封止薄膜との間に、前記電極によって隔てられる第１のキャビティおよび第２のキャビティが形成されており、
前記第１のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部側に位置し、
前記第２のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部とは反対側に位置し、
前記電極に基板表面に垂直な方向の力が加わったときに、前記電極の前記可動部と対向する領域において基板表面に垂直な方向に最も変位する位置を基準位置Ｏとし、
前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、前記基準位置Ｏから前記第１のキャビティの前記電極と接する側壁Ａの内側表面までの距離をＡ１とし、
前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、前記基準位置Ｏから前記第２のキャビティの前記電極と接する側壁Ｂの内側表面までの距離をＢ１としたときに、
Ｂ１／Ａ１≧１．０である、ＭＥＭＳ素子を製造する方法であって、
前記第１のキャビティを第１の犠牲層の除去により形成すること、および
前記第２のキャビティを第２の犠牲層の除去により形成すること
を含む、ＭＥＭＳ素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第１のキャビティを形成することおよび前記第２のキャビティを形成することを同一エッチングプロセスにより実施し、前記エッチングプロセスにおいて、前記第２の犠牲層を最初に除去し、それから前記第１の犠牲層を除去する、請求項１０に記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第１の犠牲層と前記第２の犠牲層の材料を、前記第２の犠牲層のエッチングレートが前記第１の犠牲層のエッチングレートよりも大きくなるように選択することを含み、
前記第１のキャビティを形成することおよび前記第２のキャビティを形成することを同一エッチングプロセスにより実施し、前記エッチングプロセスにおいて、前記第１の犠牲層を最初に除去し、それから前記第２の犠牲層を除去する、請求項１０に記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ素子を有する、ＭＥＭＳ発振器。
【請求項１４】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ素子および請求項１３に記載のＭＥＭＳ発振器の少なくともいずれか一方を有する、電子機器。
【手続補正書】
【提出日】平成24年12月5日(2012.12.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板および封止薄膜を有し、
機械的振動を行う梁構造体の可動部および前記可動部に近接して位置する電極が前記基板と前記封止薄膜との間に設けられ、前記可動部と前記電極は前記基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有し、
前記基板と前記封止薄膜との間に、前記電極によって隔てられる第１のキャビティおよび第２のキャビティが形成されており、
前記第１のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部側に位置し、
前記第２のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部とは反対側に位置し、
前記電極に基板表面に垂直な方向の力が加わったときに、前記電極の前記可動部と対向する領域において基板表面に垂直な方向に最も変位する位置を基準位置Ｏとし、
前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、前記基準位置Ｏから前記第１のキャビティの前記電極と接する側壁Ａの内側表面までの距離をＡ１とし、
前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、前記基準位置Ｏから前記第２のキャビティの前記電極と接する側壁Ｂの内側表面までの距離をＢ１としたときに、
３．２≧Ｂ１／Ａ１≧１．５である、
ＭＥＭＳ素子。
【請求項２】
前記第１のキャビティの側壁全体の内側表面が、前記第２のキャビティの側壁全体の内側表面よりも、前記基板表面と平行な方向において内側に位置する、請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項３】
前記第１のキャビティは、第１の犠牲層を除去して形成したものであり、前記第２のキャビティは、第２の犠牲層を除去して形成したものである、請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項４】
同一エッチングプロセスにおいて、前記第２の犠牲層が最初に除去され、それから前記第１の犠牲層が除去されて、前記第２のキャビティおよび第１のキャビティが形成されている、請求項３に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項５】
前記第１の犠牲層と前記第２の犠牲層が互いに異なる材料で形成され、前記第２の犠牲層のエッチングレートが前記第１の犠牲層のエッチングレートよりも大きくなるように各犠牲層の材料が選択され、同一エッチングプロセスにおいて、前記第１の犠牲層が最初に除去され、それから前記第２の犠牲層が除去されて、前記第１のキャビティおよび第２のキャビティが形成されている、請求項３に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項６】
前記封止薄膜の外側が樹脂でモールドされている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項７】
基板および封止薄膜を有し、
機械的振動を行う可動部および前記可動部に近接して位置する電極が前記基板と前記封止薄膜との間に設けられ、前記可動部と前記電極は前記基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有し、
前記基板と前記封止薄膜との間に、前記電極によって隔てられる第１のキャビティおよび第２のキャビティが形成されており、
前記第１のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部側に位置し、
前記第２のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部とは反対側に位置し、
前記電極に基板表面に垂直な方向の力が加わったときに、前記電極の前記可動部と対向する領域において基板表面に垂直な方向に最も変位する位置を基準位置Ｏとし、
前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、前記基準位置Ｏから前記第１のキャビティの前記電極と接する側壁Ａの内側表面までの距離をＡ１とし、
前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、前記基準位置Ｏから前記第２のキャビティの前記電極と接する側壁Ｂの内側表面までの距離をＢ１としたときに、
３．２≧Ｂ１／Ａ１≧１．５である、ＭＥＭＳ素子を製造する方法であって、
前記第１のキャビティを第１の犠牲層の除去により形成すること、および
前記第２のキャビティを第２の犠牲層の除去により形成すること
を含む、ＭＥＭＳ素子の製造方法。
【請求項８】
前記第１のキャビティを形成することおよび前記第２のキャビティを形成することを同一エッチングプロセスにより実施し、前記エッチングプロセスにおいて、前記第２の犠牲層を最初に除去し、それから前記第１の犠牲層を除去する、請求項７に記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。
【請求項９】
前記第１の犠牲層と前記第２の犠牲層の材料を、前記第２の犠牲層のエッチングレートが前記第１の犠牲層のエッチングレートよりも大きくなるように選択することを含み、
前記第１のキャビティを形成することおよび前記第２のキャビティを形成することを同一エッチングプロセスにより実施し、前記エッチングプロセスにおいて、前記第１の犠牲層を最初に除去し、それから前記第２の犠牲層を除去する、請求項７に記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ素子を有する、ＭＥＭＳ発振器。
【請求項１１】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ素子および請求項１０に記載のＭＥＭＳ発振器の少なくともいずれか一方を有する、電子機器。
【国際調査報告】
2011114628.tif 000016
2011114628.tif 000017
2011114628.tif 000018